Jak działa elektryczny samolot?

Gdy kolejny model elektrycznej Tesli zwiastuje przełom w motoryzacji, dokonuje się inna, równie ważna rewolucja. Nadchodzi era samolotów, które nie muszą lądować!

Zasada, dzięki której maszyny cięższe od powietrza mogą latać, wydaje się – teraz, gdy już ją znamy – banalnie prosta. Skrzydła samolotu są zazwyczaj ukształtowane tak, by w przekroju tworzyć tzw. profil lotniczy, dzięki któremu powstaje na nich siła nośna, a zadaniem napędu jest zmuszenie całej konstrukcji do tego, by poruszała się do przodu, wymuszając przepływ powietrza nad i pod skrzydłami.

To, w jaki sposób to osiągniemy, jest kwestią wtórną. Początkowo służyły do tego śmigła napędzane silnikami tłokowymi, pojawił się również w różnych wariantach napęd rakietowy i odrzutowy, a nawet takie cuda, jak projektowany przez Niemców samolot zasilany niczym piec centralnego ogrzewania – drucianym koszem wypełnionym koksem. Od pionierskiej epoki lotnictwa nie brakowało również pomysłów, by zbudować samolot zasilany prądem.

Kłopot polegał na tym, że o ile sam silnik nie stanowił problemu, największym wyzwaniem było zmagazynowanie odpowiedniej ilości energii. Niewielka waga i duża pojemność to dwie sprzeczne cechy dawnych, a w wielu przypadkach również i współczesnych akumulatorów. Choć powstały zasilane prądem sterowce, to zbudowanie zasilanego w ten sam sposób samolotu przez długie dekady pozostawało poza zasięgiem konstruktorów.

Koks miał znajdować się za wlotem powietrza w przedniej części kadłuba (...) w pojemniku, wirującym z prędkością 60 obrotów na minutę.

Przełom nastąpił już po większości rewolucji, jakie dokonały się w lotnictwie. Rachityczne samoloty pionierów lotnictwa zmieniły się w piękne i szybkie samoloty tłokowe, przeżywające szczyt rozwoju pod koniec drugiej wojny światowej. Pojawiły się samoloty rakietowe, napęd odrzutowy stał się standardem, przekroczenie prędkości dźwięku również przestało dziwić, kolejne załogi lądowały na Księżycu, a elektrycznego samolotu wciąż nie udawało się zbudować.

Pierwszy elektryczny samolot, przebudowany motoszybowiec Militky MB-E1, wzniósł się w powietrze w 1973 roku. Jego silnik tłokowy został zastąpiony elektrycznym motorem Boscha, a niezbędne do lotu, niklowo-kadmowe akumulatory dostarczyła Varta.

Przy rozpiętości wynoszącej 12 metrów, samolot ważył 440 kilogramów i w czasie historycznego, pierwszego lotu wzniósł się na wysokość 380 metrów. Lot trwał jednak tylko 12 minut – na tyle wystarczyło energii.

Niewielka pojemność akumulatorów, które pionierskie samoloty elektryczne były w stanie unieść w powietrze przez długie lata sprawiała, że były to głównie maszyny eksperymentalne – nie było mowy o jakimkolwiek sensownym, praktycznym zastosowaniu załogowych samolotów na prąd.

W samym fakcie, że samolot potrafi utrzymywać się w powietrzu przez długi czas bez lądowania, nie ma nic nadzwyczajnego – możliwość tankowania w locie sprawia, że niektóre maszyny mogą przebywać w przestworzach całymi dniami.

Dość wspomnieć, że rekordowy, najdłuższy przelot bez lądowania trwał… prawie 65 dni. Dwuosobowa, rekordowa załoga niepozornej Cessny 172 przeleciała wówczas 241000 kilometrów, na zmianę śpiąc, jedząc, a nawet myjąc się (w końcu to ponad dwa miesiące lotu!) na paru metrach, dostępnych w kabinie samolotu.

Rekordowy przelot był możliwy dzięki temu, że samolot każdego dnia dwukrotnie uzupełniał paliwo, przepompowując je w czasie lotu na małej wysokości z jadącego poniżej samochodu, z którego podawano również do kabiny samolotu niezbędne zaopatrzenie.

Był to jednak wyczyn wyjątkowy, a nawet w przypadku standardowych lotów z tankowaniem w powietrzu wymaga to zaangażowania co najmniej jednej, dodatkowej maszyny. O ile w przypadku nadzwyczajnych sytuacji czy misji wojskowych ma to sens, to w codziennej eksploatacji radykalnie zwiększa koszt całego przedsięwzięcia.

Dlatego pomysł, by zastosować samoloty w roli stale dostępnych, powietrznych stacji przekaźnikowych czy punktów obserwacyjnych przez długi czas był niemożliwy do zrealizowania. Prowadzono wprawdzie prace nad sterowcami, balonami wykorzystującymi prądy strumieniowe czy bezzałogowymi szybowcami, jednak rozwój technologii sprawia, że niewiele dzieli nas od powierzenia tej roli samolotom.

Zwiastunem zmian był rozwój technologii, związanych z dwiema branżami: produkcją akumulatorów i ogniw fotowoltaicznych. Eksperymentalne maszyny biły kolejne rekordy, jak bezzałogowy, zbudowany przez NASA w ramach programu Environmental Research Aircraft and Sensor Technology samolot Pathfinder, który nie dość, że wzniósł się na 15 tys. metrów, to jeszcze leciał bez przerwy przez 12 słonecznych godzin.

W kolejnych latach pojawiły się cywilne, hobbystyczne maszyny, jak przebudowany z samolotu tłokowego, ultralekki, ważący zaledwie 78 kilogramów Hugues Duval MC15E Cri-Cri czy opisywany przez nas samolot elektryczny Rutan Long-EZ, którym Chip Yates zamierzał przelecieć nad Atlantykiem.

Elektrycznymi samolotami zainteresowali się również giganci branży, jak Airbus, rozwijający treningowy model Airbus E-Fan. Od lat 90. zaczęły pojawiać się różne, z reguły bardzo lekkie i niewielkie, elektryczne samoloty i motoszybowce, a coraz doskonalsze akumulatory i ogniwa fotowoltaiczne sprawiły, że symboliczna początkowo długotrwałość lotu przestała być problemem.

Mimo tego, choć w powietrze unosiły się nawet takie ciekawostki, jak zbudowany przez Matsushita Electric na potrzeby kampanii reklamowej samolot zasilany bateriami AA, to elektryczny samolot, nawet gdy mógł wykorzystać energię słoneczną, wciąż miał niezwyciężonego wroga: noc. W praktyce oznaczała ona, że zasilane słońcem maszyny będą przez połowę czasu bezużyteczne.

Przełom nastąpił dopiero w 2010 roku, kiedy to samolot Solar Impulse dokonał niemożliwego: choć był zasilany słońcem, utrzymał się w powietrzu przez ponad dobę, lecąc również po zapadnięciu zmroku. Było to możliwe dzięki dopracowaniu dwóch elementów: lekkich i pojemnych akumulatorów oraz wydajnych ogniw fotowoltaicznych.

Zastosowana w nich technologia osiągnęła już taki poziom, że kolejny, udoskonalony samolot tego samego zespołu, Solar Impulse 2, wyruszył w rekordową podróż dookoła świata, składającą się również z lotów transoceanicznych, trwających – jak lot z Japonii na Hawaje – nawet ponad 100 godzin.

Jest to możliwe dzięki specjalnej konstrukcji. Samolot jest bardzo lekki i ma bardzo dużą powierzchnię skrzydeł – przy wadze około 2300 kilogramów jego rozpiętość sięga 72 metrów. To tyle, co w największych, pasażerskich odrzutowcach.

Na skrzydłach, kadłubie i ogonie samolotu znajduje się 17248 ogniw fotowoltaicznych, zajmujących niemal 270 metrów kwadratowych powierzchni. Ich zadaniem jest ładowanie pokładowych akumulatorów, ważących 600 kilogramów.

Choć podróż dookoła świata Solar Impulse 2 jeszcze się nie zakończyła, to konstruktorzy samolotu udowodnili, że elektryczny, zasilany energią słoneczną samolot może nie tylko pokonywać znaczne odległości, ale również przebywać w powietrzu – teoretycznie – niemal bez końca. Co z tego wynika dla nas?

Pisaliśmy o tym w artykule poświęconym wielkim dronom Facebooka. Mark Zuckerberg dąży do wyprodukowania samolotu, w tym przypadku bezzałogowego, który będzie zdolny do unoszenia się w powietrzu bez lądowania całymi tygodniami czy miesiącami, pełniąc rolę mobilnego przekaźnika, zapewniającego na wybranym obszarze np. dostęp do szybkiego internetu.

Biorąc pod uwagę zaawansowanie prac, pierwszych, seryjnych maszyn pełniących taką rolę możemy spodziewać się już w ciągu najbliższych lat.

Na bardziej istotną zmianę – czyli elektryczną rewolucję w aeronautyce – przyjdzie nam poczekać zapewne znacznie dłużej. Mimo tego myśl, by lotnictwo poszło w ślady motoryzacji, by z czasem wyeliminować z nieba mobilne generatory smrodu i zanieczyszczeń, nie jest już mrzonką.

I choć stawianie prognoz co do konkretnych terminów wydaje się na razie przedwczesne, to zaryzykuję stwierdzenie, że zanim większość z nas zdąży się porządnie zestarzeć, będziemy mieli okazję wybrać się na zagraniczne wczasy na pokładzie elektrycznego samolotu.